斯特林发动机采用外部加热方式,以气体为工质实现闭式循环,具有热源适应性强、效率高、污染小等优点。随着节能环保需求的提升,斯特林发动机在民用领域逐渐取得推广发展,千瓦级斯特林发动机表现出巨大的市场需求。同时,现有的斯特林发动机几乎均采用成本较高的He或危险性较大的H2,并且依靠单一热源加热,这对斯特林机民用领域的推广应用是不利的。因此为了加强斯特林发动机在民用领域的适用性,本文探究了以CO2等廉价气体作为循环工质的可行性,分析了千瓦级斯特林的运行特性,并对发动机加热系统进行多能互补设计优化。针对工质的单一性问题,基于一台自主设计的100 W级β型斯特林发动机,实验研究了CO2、N2、He三种工质下斯特林发动机的密封性能与运行特性。动态测试结果表明,CO2在6 min的动态测试后剩余量97.31%,可密封性能良好。改变转速、压强后的循环特性结果表明,同一压力(2.84 MPa)、转速(800 rpm)时,He工质循环输出功为116.3 W,CO2工质循环输出功为124.8 W,循环效率均为12.15%,转速降低两种工质的循环输出功接近。因此,CO2在低转速(<800rpm)下作为循环工质具备可行性。家庭用斯特林发动机的功率需求较低,采用数值模拟方法分析了一台自主设计的千瓦级斯特林机运行特性。针对实验过程中燃烧器单侧吹的加热方式,将模型中加热管内壁温度分段设定。模拟结果表明:采用燃烧加热时,膨胀腔平均温度860.9 K,循环功率1188 W。提高温度可以有效减少工质利用量,压力变化对膨胀腔及加热管内工质温度的影响较小。低转速下,加热温度提高,膨胀腔温度显著提高。对自主设计的两台斯特林发动机加热系统进行多能互补设计优化。基于光能、燃气加热方式,设计腔体吸热器与燃烧室内外层结构,优化了100W级斯特林机的加热系统,耦合光能与燃烧加热可为热头提供1682 W的换热量;基于余热利用,设计周向辅助入口与周向排气出口结构,优化了千瓦级斯特林机的加热系统,余热烟气可为热头提供4.04 k W的换热量。